江小梅, 李 杰, 漆 锐, 邓瑾妮, 郑朝晖, 丁小斌, 潘 毅*

(1. 中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都 610041； 2. 中国科学院大学 化学科学学院，北京 100049)

自组装是分子从无序到有序的聚集过程，通过非共价键作用使不同结构的分子进行“自下而上”形成多级结构的复杂功能体[1]。该现象广泛存在于生物体内，如多肽形成蛋白质、烟草花叶病毒棒状结构等[2]，广泛应用于生物医用[3-5]、涂料[6]、组织工程[7-8]等领域。

嵌段聚合物在选择性溶剂中进行自组装形成结构丰富、形貌多样的聚集体[9]。嵌段聚合物从分子结构上分为线性和非线性嵌段聚合物。相比于线性嵌段聚合物而言，非线性嵌段聚合物(Y形、H形、星形等)具有多条主链、多个支化点，因而增大了链的构象熵，使之在自组装过程中表现出一系列特有的相分离现象，从而得到成一些特殊形貌结构，如多毛柱状胶束[10]、多壁囊泡[11]等。在非线性嵌段聚合物中，Y形嵌段聚合物是结构最简单的一类，其在水溶液中可直接形成单壁大囊泡[12]，无需电铸[13-14]、光引发[15]、微流体[16]等复杂的手段，并且形成的胶束具有优良的特性，例如优异的载药特性[4]控制药物的释放[17]。此外，引入具有温度[18-19]、pH[20]、光敏[21-23]等响应性链段，可使其在相应刺激下完成胶束的形貌及性能的转变，因此在制备响应性智能材料领域方面具有较大潜力，展现了Y形结构分子的独特优势。

按照分子结构可将Y形嵌段聚合物分为以下两种，一种是具有两条相同性质链段和一条不同性质链段结构；另一种是中心疏溶剂末端亲溶剂结构。然而，鲜有对中心疏水而末端亲水的Y形结构聚合物自组装的研究的报道。文献调研发现具有类似结构的星型两亲性嵌段聚合物进行自组装形成的胶束具有稳定好[24]、良好的药物控释[25]等特性；中心疏水末端亲水的H形两亲性嵌段聚合物自组装形成球状胶束能在一定条件下胶束大小发生变化，外界刺激改变链段亲疏水性引起胶束尺寸、形貌变化[26]。因此，本文期望通过中心疏水而末端亲水的Y形结构聚合物的合成及自组装行为研究，获得具有特殊形貌以及可通过外界刺激对形貌进行调控的自组装聚集体结构。

本文设计并合成了中间具有疏水末端亲水的非离子型Y形两亲性聚氨酯。以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)三聚体、聚乙二醇单甲醚(mPEG)以及聚醚胺(PEA)为原料(Scheme 1),其结构和自组装形貌经1H NMR、 FT-IR、 GPC、透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)表征。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AV 300 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；Thermeo Fisher Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片)；Water 2410型凝胶渗透色谱仪；SPM-9600型扫描探针显微镜。

mPEG(Mw=1000 g/mol)、二月桂酸二丁锡(DBTDL)、 聚醚胺(PEA， Mw=230 g/mol)、六亚甲基二异氰酸酯三聚体，分析纯；其余所用试剂均为分析纯或化学纯。

1.2 合成

(1) Y形两亲性嵌段聚合物的合成在50 mL两口瓶烧瓶中通入N230 min，加入HDI三聚体3.2 g(6.3 mmol)的无水THF溶液，冰浴下缓慢滴加mPEG 12 g(12 mmol)，滴毕，滴加3滴DBTDL，N2保护下搅拌1 h，于60 ℃油浴反应6 h；滴加分子量为PEA 1.5 g(6.5 mmol)，滴毕，反应4 h。蒸除THF，残余物用乙醇溶解，转入透析袋中，用去离子水透析3 d除去未反应的反应物和副产物，冷冻干燥48 h得淡黄色粉末，收率50%。

Scheme 1

ν/cm-1

δ

Time/min

(2) 胶束的合成

称取适量聚合物溶于THF中，搅拌5 min，缓慢滴加蒸馏水，强力搅拌30 min后转入透析袋中透析24 h，除去THF，定容将聚合物溶液稀释到0.05 mg/mL、 0.1 mg/mL和1 mg/mL。

2 结果与讨论

2.1 表征

图1(a)为Y形两亲性嵌段聚合物的IR谱图。由图1(a)可见，2260 cm-1左右处无峰，说明异氰酸酯反应已经反应完全，3340 cm-1和1520 cm-1出现氨基甲酸酯的N—H伸缩振动与弯曲振动吸收峰，表明异氰酸酯与羟基反应；1690 cm-1为三聚体六元环的羰基吸收峰，1114 cm-1处出现C—O—C键吸收峰。图1(b)为Y形两亲性嵌段聚合物的1H NMR谱图。由如图1(b)可知，氢原子a为CO—NH—CH(CH3)的特征峰,d为NH—CO—NH的特征峰，b为COOCH2的特征峰，c为OCH3的特征峰，δ2.9附近为HDI三聚体异氰酸酯亚甲基的特征峰，e为聚醚胺末端CH2—CH(CH3)NH2的特征峰，f为CH2—CH(CH3)NH2的特征峰。氢原子积分面积比为c/a/d/b/e/f=6/3/1/4/1/3,与目标产物的氢原子个数比一致。图1(c)为聚合物的分子量及分子量分布。由图1(c)可知，聚合物分子量为3200 g/mol， PDI=1.36，与理论分子量相差不大，分子量分布较窄。

2.2 自组装形貌

(1) 不同浓度的聚合物尺寸

图2(a)为不同浓度下的Y形两亲性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA胶束的流体力学直径。由图2(a)可知，测试浓度为0.05 mg/mL的(mPEG)2-HDI-PEA胶束的流体力学直径时出现单峰(70 nm)，说明形成的胶束分布均匀。图2(b)为聚合物浓度增加到0.1 mg/mL时的流体力学直径。由图2(b)可知，DLS测试出现两个特征峰，最大值约为120 nm，胶束尺寸分布不均匀，其原因是在较低浓度范围内(mPEG)2-HDI-PEA以单个或极少数的分子聚集形成球状胶束，当聚合物浓度增加时疏水链段疏水作用增强易于形成分子聚集体。图2(b)和图2(c)为聚集体的TEM照片。由图2(b)和2(c)可见，聚合物形成球状胶束，相比于DLS测得的直径，TEM结果偏小。

d/nm

图 2 不同浓度聚合物的动力学直径(a)和TEM照片(b,c)

(2) 聚合物的微观形貌

图3(a)为聚合物的微观形貌。由图3(a)可知，球状胶束表面呈现“沟壑”状，且其高度图截面曲线并不光滑；当浓度增加到1 mg/mL时AFM观察到形成的球状胶束尺寸增加，表面的“沟壑”也越来越明显，放大其高度图发现“沟壑”有规律的排布[图3(b)],截面表面参差不平，截面曲线凸起与凹陷明显。本文中的Y形两亲性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA具有两条mPEG链和一条PEA230，中间为HDI三聚体疏水链段(图4)。在水溶液中疏水段聚集成核，亲水链溶于水中，由于亲水链段在水溶液中彼此间存在的排斥力与酰胺键之间的氢键之间相互作用导致亲水链段排列受限，亲水链段间可能采取mPEG与PEA之间间隔排列，在球形胶束表面形成“沟壑”形状。

(a)：0.1 mg/mL

(b)：1 mg/mL图 3 聚合物(mPEG)2-HDI-PEA不同浓度下AFM高度图

图 4 (mPEG)2-HDI-PEA的结构及自组装过程

(3) 温度对形貌的影响

研究了温度对聚集体形貌的影响，将聚合物溶液在60 ℃下搅拌24 h制备胶束，转入冰浴锁定聚集体形貌，在TEM和AFM下观察发现胶束的形貌随浓度的变化。聚合物浓度为0.1 mg/mL时，在TEM下除观察到球状胶束外还有椭球状和X型蠕虫状形貌，其可能的形成过程如图4所示，在60 ℃水溶液中聚合物自组装形成“星形”球状胶束，水溶液温度升高分子间的氢键作用遭到破坏，疏水作用增强，形成的球状胶束间相互融合，如图5(a)所示，红色虚线内两胶束正在进行融合。当聚合物浓度增加到1 mg/mL时AFM测得的结果如图5(b)所示，出现网状结构的聚集体，胶束间发生交叠。如图5(c)所示，胶束最大尺寸达到微米级，与TEM测得结果相近。随着聚合物浓度增大，蠕虫状胶束间相互堆叠形成网状或者层状，这是由于聚合物(mPEG)2-HDI-PEA分子疏水链段与亲水链段连接处的酰胺键间的氢键作用与亲水链段长短链之间排斥作用、平衡作用导致壳层排列受限形成表面有规律排列的“沟壑”，但当制备胶束的温度升高酰胺键之间氢键作用以及聚乙二醇的醚键与水之间的氢键作用减弱破坏两种力的平衡，分子的疏水作用增强，共同促进胶束一维增长，并且随着聚合物浓度的变化，胶束的形貌发生变化。

d/nm

图 6 静置1个月后聚合物的AFM高度图(a)，静置后降温到室温胶束的AFM高度图(b),降温后静置1 d,聚合物的AFM图(c),0.05 mg/mL溶液在60 ℃下静置3 d的TEM图(d)

(4) 聚合物在水中的自组装过程

Nanneyl等[27]认为蠕虫状胶束与传统的高分子聚合物的最大区别是蠕虫状胶束在外力作用下其解离与重整是一个动态过程，提出“活的聚合物”的概念。图6(a)～(d)为聚合物的自组装过程。由图6(a)可知，静置一个月，蠕虫状胶束长度等产生了明显变化。随后将此溶液从60 ℃降至室温静置1 d后，通过AFM观察到聚集体的形貌几乎无变化，但AFM的截面图高度以及宽度发生改变，相比于图6(a)的结果高度和宽度整体减小[图6(b)和6(c)]。将0.1 mg/mL溶液稀释到0.05 mg/mL，静置3 d，聚集体形貌发生明显改变，胶束形貌以及长度明显改变，从蠕虫状变成棒状或椭球状[图6(d)]。该聚合物在浓度改变的条件下胶束形貌发生动态组装与解离，与Magid定义的蠕虫状胶束是“活的聚合物”相符，表现出动态的组装与解离过程。

合成了Y形两亲性嵌段聚合物(mPEG)2-HDI-PEA，并研究了其在水溶液中的自组装行为。由于分子中的亲水链段间的排斥力与酰胺键之间的氢键相互作用，该聚合物在室温下自组装形成表面“沟壑”状的球状胶束，随着聚合物浓度的增加，球状胶束的尺寸也增加，表面“沟壑”越明显；当聚合物在温度为60 ℃条件下进行自组装时，嵌段聚合物的亲水链段与水的氢键作用减弱，疏水作用增强，胶束间相互融合形成蠕虫状胶束，形成的蠕虫状胶束静置随时间的延长胶束的长度亦增加，稀释后由蠕虫状转变为球状，呈现一个动态的组装和解离过程。